电动辅助自行车的踏力检测装置 【技术领域】
本发明涉及电动辅助自行车的踏力检测装置，特别是，涉及以简单而廉价的结构可以很好地检测踏力的电动辅助自行车的踏力检测装置。
背景技术
在并列设置踏力驱动系统和电动马达驱动系统的电动辅助自行车、即所谓助力自行车中，利用踏力传感器检测加在踏板上的踏力，根据该检测结果控制电动马达的驱动转矩。
图16是用于现有技术的助力自行车的配备有踏力检测机构的旋转轴的剖面图，公开在特许公报第2967391号等中。
该旋转轴102，主要由沿轴向方向分割为二部分地配置成同轴状的输入轴102a和输出轴102b，插入到各输入输出轴102a、102b地内部、在各轴102a、102b的两端部花键结合的扭力杆102c，将前述各输入输出轴102a、102b向轴向方向相互加载的弹簧111构成。
通过花键结合，将端面上具有凸状的凸轮部921a的滑动件921允许向轴向方向滑动地结合到输入轴102a的大直径部上。将利用销153可以自由摆动地支承其一端的位移检测杆152的大致的中央部，配合到输入轴102b的球头座924上，行程传感器150的行程检测轴151连接到位移检测杆152的另一端上。
由于总是利用螺旋弹簧199将前述球头座924推压到输出轴102b侧，所以，总是一面吸收其旋转，一面将前述滑动件921推压到输出轴102a侧。在前述输出轴102b的端面上，沿周向方向形成与前述滑动件921的凸状凸轮部921a配合的两个凹状凸轮槽922。
在形成于前述输入轴102a色度小直径部上的小直径的齿轮113上，输入踏力。在输出轴102b的齿轮102e上，输入图中未示出的从驱动马达来的助力。结合在输出轴102b的小直径部上的齿轮102d，与图中未示出的输出链轮轴啮合。
在这种结构中，当扭力杆102c根据踏力扭转时，在输入轴102a和输出轴102b之间产生相位差，在输出轴102b与滑动件921之间也产生相位差。当球头座921根据该相位差沿轴向方向位移时，位移检测杆152以销153为轴摆动，将其传递给行程传感器150，进行检测。
上述现有技术的转矩检测机构，由于部件数目多，所以结构复杂，容易导致装置的大型化及制造工艺的复杂化。而且，滑动部位和接触部位多，所以不得不使用耐磨损性和耐久性优异的材料。
【发明内容】
本发明的目的是，为了解决现有技术的课题，提供一种具有部件数目少、简单且小型的、滑动部位及接触部位少的结构，且进行良好地转矩检测的踏力检测装置。
为达到上述目的，本发明，包括：由从外面插到曲柄轴上、一端结合到该曲柄轴上、另一端结合到踏板链轮上的扭转杆，其中将输入到前述曲柄轴上的踏力作为前述扭力杆的扭转量进行检测，其特征为，它采用以下机构。
(1)所述踏力检测装置，其特征为，它配备有：配置在扭力杆的一端侧及另一端侧上、沿圆周方向以微小的间距磁化的一对磁环，感应前述磁性体的磁传感器，使前述磁传感器相对于磁环弹性接触的支承机构。
(2)所述踏力检测装置，其特征为，它配备有：配置在扭力杆的一端侧及另一端侧上、沿圆周方向以微小的间距磁化的一对磁环，感应前述磁性体的磁传感器，以及，具有相对于规定的被接触体弹性接触的接触部、使前述磁传感器相对于磁环弹性接触的支承机构。
(3)所述踏力检测装置，其特征为，它配备有：配置在扭力杆的一端侧及另一端侧上、沿圆周方向以微小的间距磁化的一对磁环，包括磁传感器的磁传感器单元，以及，以保持规定的间隙使该磁传感器和前述磁环对向的方式固定前述磁传感器单元的固定机构。
根据上述特征(1)，由于可以使磁传感器相对于磁环弹性地接触，所以，即使曲柄轴偏心，也可以总是将磁传感器与磁环的相对位置关系保持恒定。
根据上述特征(2)，如果使支承机构的接触部与磁环或者与所述磁环同样偏心的被接触体接触的话，由于当曲柄轴偏心时，磁传感器也与之相应地同样位移，所以，即使曲柄轴偏心，也可以总是将磁传感器与磁环的相对位置关系保持恒定。
根据上述特征(3)，由于磁传感器相对于车身架是牢固地固定的，所以可以总是保持磁传感器与磁环的位置关系恒定。
【附图说明】
图1安装有本发明的踏力检测传感器的电动辅助自行车的侧视图。
图2示意地表示电动辅助自行车的动力传递机构的图示。
图3驱动马达的剖面图。
图4曲柄单元的侧视图。
图5沿曲柄单元的曲柄轴的剖面图。
图6表示MR传感器的安装结构的一个例子(其一)的图示。
图7表示MR传感器的安装结构的一个例子(其二)的图示。
图8表示MR传感器的安装结构的一个例子(其三)的图示。
图9表示MR传感器的安装结构的一个例子(其四)的图示。
图10踏力检测回路的主要部分的框图(其一)。
图11踏力检测回路的主要部分的框图(其二)。
图12图10的主要部分的信号波形图(无踏力)。
图13图10的主要部分的信号波形图(有踏力)。
图14表示图10中相位差和踏力关系的图示。
图15表示求相位差的方法的图示。
图16用于现有技术的助力自行车的踏力检测机构的主要部分的剖面图。
符号说明
16…马达，23…曲柄轴，24…踏板，25…踏板链轮，27…链条，26…从动链轮，50…曲柄单元，53…扭力杆，55…磁环，501…MR传感器，502…传感器基板，503…配线束，506，507，511…板簧，58，512…保持器，510…螺旋弹簧，511a之字形弹簧部。
【具体实施方式】
下面，参照附图详细说明本发明的优选实施形式。
图1是安装有本发明的踏力检测装置的电动辅助自行车的侧视图。
电动辅助自行车1是折叠型的，车身架4可以大致在车身的中央部折叠，它由前车架2和后车架3构成，各车架2、3由连接部10连接。在前车架2的前端部上，设置头管5，安装前轮7和手柄8的前叉6可自由转向地支承在该头管5上。
将向后斜上方延伸的车座支承架11结合到后车架3的前端上，可上下自由移动的车座支柱13安装在设置于该车座支承架11的后端部上的车座支柱安装部11a上，进而，鞍座14安装在车座支柱13上。在车座支柱安装部11a设置车座支柱高度调整用杆12。后轮15轴支承在后车架3的后端部上，在下方安装有后面将要描述的曲柄单元50。
把手8a和制动杆8b设置在前述手柄8上，在车身前部设置前制动器17，在后部设置后制动器18。在后轮15的轮毂上同轴地设置作为辅助动力源的马达16。马达16优选地是高转矩并且低摩擦的三相马达。
结合到踏板24上的曲柄21被结合到曲柄轴23上。踏板链轮25经由后面将要详细描述的踏力传感器结合到曲柄轴23上，加到踏板24上的踏力经由踏力传感器传递给踏板链轮25。踏板链轮25具有链条27结合到后轮的从动链轮(图中未示出)上。作为马达16等的电源的电池9容纳在车身中央。
图2是示意地表示前述电动辅助自行车的动力传递机构的图示，与前面相同的标号表示同等的部分。
从踏板24输入的踏力经由曲柄轴23，踏板链轮25及链条27输入到后轮15的从动链轮26，由变速器30的齿轮机构减速后，与马达16产生的辅助动力合成，驱动后轮15。
图3是马达16的剖面图，内装变速器的缸体30由轴31支承。车轮轮毂32配合到缸体30的外周上。车轮轮毂32是具有内筒和外筒的环形体，内筒内周面与缸体30的外周接触。利用螺栓34将从缸体30伸出的连接板33固定到车轮轮毂32的侧面上。在车轮轮毂32的外筒的内周上以规定的间隔配置构成马达16的转子侧磁极的钕磁铁35。即，外筒构成保持磁铁35的转子铁心。
轴承36配合到车轮轮毂32的内筒的外周上，定子支承板37配合到该轴承36的外周上。定子38配置于定子支承板37的外周，由螺栓40进行安装。定子38与转子铁心、即车轮轮毂32的外筒具有规定的细的间隙，在该定子38上卷绕有三相绕组39。
在定子支承板37的侧面上，设置由霍尔器件构成的磁极传感器41。磁极传感器41觉察出从前述车轮轮毂32突出设置的磁铁42通过时发生的磁通变化，输出作为转子的车轮轮毂32的位置信号。磁极传感器41对应于马达16的各个相设置在三个部位上。
在定子支承板37的侧面上，设置利用从磁极传感器41来的位置信号进行向前述三相绕组39进行通电控制用的控制基板43，在该控制基板43上，安装CPU及FET等控制元件。此外，控制基板43可以和前述磁极传感器41用的安装基板一体化。
在车轮轮毂32的外周上，固定有图中未示出的后轮轮辋连接的轮辐44。进而，与定子支承板37的安装前述控制基板43等的一侧相反侧上，利用螺栓45固定有托架46，托架46利用图中未示出的螺栓结合到前述车身架4的板29上。
图4是安装在前述车架下部上的曲柄单元50的侧视剖面图，踏力检测装置500安装在该曲柄部上。图5是沿曲柄轴的剖面图。
如图4所示，曲柄单元50在三个部位用螺钉固定在前述车架的下部。如图5所示，在曲柄单元50中，曲柄轴23的一端由轴承51可以自由旋转地轴支承。筒状的扭力杆53贯通穿过曲柄轴23的外周，其一端花键结合到前述轴承51附近的曲柄轴23的外周面上，另一端利用轴承52相对于曲柄单元50可自由旋转地轴支承。前述踏板链轮25啮合到前述扭力杆53的另外一端侧的外周面上。
在前述扭力杆53的一端附近及另一端附近的外侧面上，沿圆周方向安装有一对磁环55(55a，55b)。磁环55通过沿圆周方向以微小的间距磁化构成。在与前述磁环55对向的位置上，配置一对MR传感器501(501a，501b)
图6是表示前述MR传感器501的安装结构的一个例子的剖面图，MR传感器501装载在传感器基板502的一个主面上。MR传感器501的检测信号经由配线束503引出到外部。
前述传感器基板502固定在大致为L形板簧506的一端上。前述L形板簧506的另一端，以前述MR传感器501利用板簧506的弹性力相对于磁环55弹性接触的方式利用螺钉505固定在曲柄单元50的下面。
根据装置传感器结构，由于可以使MR传感器501相对于磁环55弹性接触，所以，即使曲柄轴23偏心，也总是能够保持MR传感器501与磁环55的相对位置关系恒定。从而，不管曲柄轴23是否偏心，总能够用简单的结构正确地检测出用以扭力杆53的扭转量代表的踏力。
图7是表示前述MR传感器501的安装结构的另外一个例子的图示，前述传感器基板502固定到大致为L形的板簧507的一端上。前述L形的板簧507的另一端利用螺钉509固定到相互配合的一对保持器508中之一(508a)上。
前述一对保持器508，经由螺旋弹簧510相互弹性加载地配合。前述一对保持器508中的另外一个(508b)，以使其中的一个(508a)相对于磁环55的规定位置弹性接触的方式，利用螺钉505固定在曲柄单元50的下面。
前述MR传感器501和保持器508，在一个保持器508a与磁环55的规定位置接触的状态下，以MR传感器501与磁环55的另外的规定位置弹性接触的方式，预先相对地进行定位。
根据这种结构，当曲柄轴23偏心、保持器508位移时，由于MR传感器501也与此相应地位移，所以，即使曲柄轴23偏心，也总是能够将MR传感器501相对于磁环55正确地定位。
图8是表示前述MR传感器501的安装结构的另一个例子的图示，前述传感器基板502固定在板簧511的一端上。在前述板簧511的另一端上，形成之字形弹簧511a，以利用其弹性力将一个保持器512a相对于另一个保持器512b向曲柄方向弹性加载的方式，容纳在相互可滑动地组合的一对保持器512(512a，512b)的对向面之间。以一个保持器512a的接触部相对于磁环55的规定位置弹性接触的方式，利用螺钉505将另一个保持器512b固定在曲柄单元50的下面。
前述MR传感器501和保持器512，预先相对定位，以便使得在一个保持器512a与磁环55的规定位置接触的状态向MR传感器501与磁环55的另外的规定位置弹性接触。
根据本实施形式，不必另外准备螺旋弹簧，就可以获得和前述图7的结构相同的效果。此外，在图7、图8所示的结构中，说明了使保持器中之一相对于磁环55接触的情况进行了说明，但是，也可以使曲柄轴23和扭力杆53等和磁环55一样偏心的其它的被接触体接触。
图9是表示前述MR传感器501的安装结构的进一步的另外一个例子的图示，前述传感器基板502固定在大致为L形的保持器504的一端上。前述L形保持器504的另一端以将MR传感器501和磁环55的间隙保持在规定值(例如，50微米)的方式，利用螺钉505固定在曲柄单元50的下面。
根据这种传感器安装结构，由于MR传感器501和磁环55可以不接触，所以，可以提高MR传感器501和磁环55的耐久性。
图10是表示本实施形式中踏力检测回路的主要部分的结构的框图，在各MR传感器501中，串联连接两个根据磁力的不同电阻值变化的两个可变电阻体R1、R2。
在各MR传感器501a(501b)的输出信号V1、V2上，如果在前述扭力杆53上不产生扭转时，如图12所示，只产生因制造组装时的偏差引起的一些初始相位差θref。与此相对，当在扭力杆53上产生扭转时，如图13所示，在各输出信号V1、V2上除前述初始相位差θref之外，还进一步产生与扭力杆53的扭转量、即踏力有关的相位差θF。
在本实施形式中，为了定量地检测代表前述踏力的相位差θF，各MR传感器501a(501b)的输出信号V1(V2)，经由高通滤波器(HPF)202a(202b)，限幅放大器203a(203b)以及波形整形用比较器204a(204b)，输入到内装的CPU205中。CPU205，如图15所示，对输出信号V2相对于输出信号V1的延迟时间n，以及输出信号V1的周期N进行计数，根据下式(1)求出相位差θF。
相位差θF＝n/N·360[度]-θref…(1)
这里，由于相位差和踏力如图14所示显示出线性特性，所以如果检测出相位差θF的话，就可以通过简单地代入简单的比例式求出踏力。
图11是表示踏力检测回路的另外的实施形式的主要部分的结构的框图，在各MR传感器501上以桥路的形式连接电阻值随着磁力变化的四个可变电阻体R1～R4，两个输出是反相位的。如果利用这种电桥回路的话，可以降低噪音，所以，可以更准确地求出踏力。
根据本发明，可以达到以下效果。
(1)根据本发明的第1、2方面，由于可以使磁传感器相对于磁环弹性接触，所以，即使曲柄轴偏心，也可以总是保持磁传感器与磁环的相对位置关系恒定。
(2)根据本发明的第3～6方面，当曲柄轴偏心时，由于因此相应地磁传感器也发生位移，所以，即使曲柄轴偏心，也可以总是保持磁传感器与磁环的相对位置关系恒定。
(3)根据本发明的第7方面，由于磁传感器相对于车身架牢固地固定，所以，可以总是保持磁传感器与磁环的相对位置关系恒定。